专利名称：含可磨蚀填料凝聚体的可涂敷混合物，其制备方法，含其固化形态的研磨件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及含有可磨蚀填料凝聚体的可涂敷混合物，以及含有固化形态的可涂敷混合物的研磨件。该可磨蚀填料凝聚体的一种优选形式是含有冰晶石颗粒和硫酸铝。该研磨件可以是带涂层的研磨件、非织研磨件或粘结研磨件。
研磨件通常含有被固定在粘合剂中的磨粒。就粘结研磨件来说，粘合剂的作用是将磨粒粘结起来而构成成形块。典型的这种成形块是轮形的，并且通常称之为砂轮。就涂敷的研磨件来说，粘合剂的作用是将磨粒粘结在底材或基材上，并且该粘合剂可含有配制涂层(makecoatings)和胶料涂层。就非织研磨件来说，粘合剂的作用是将磨粒粘结在膨松有弹性的、多孔的、纤维状的基材上。
在许多研磨件中粘合剂含有颗粒状填料。典型的粘合剂将含有40-70%重量的颗粒状填料。添加填料或者能提高粘合剂的韧性和硬度，并且/或者能降低产品的成本，例如通过减少所需粘合剂的量来实现。
有一细类填料，叫做磨料、切削料或通称为“活性填料”。活性填料一般是添加到粘合剂中的颗粒状物质，对改善研磨操作性能的化学过程和物理过程有重要影响。
通常，活性填料用于干磨方法中最有效。湿磨的机理与干磨有很大不同。活性填料例如冰晶石(Na3AlF6)一般在湿磨方法中无效。对于相等的原料切削量，可以在磨削力不断增高的情况下完成磨削，最终由于粘合剂的降解和/或磨粒被拉出而导致研磨件的钝化。研磨产品的钝化也可能是磨粒被磨损到配制涂料层的结果。
因此，在研磨工艺特别是湿磨工艺中对活性填料就有一种尚未满足的要求，即在磨削过程中控制研磨层的磨损，使工作磨粒连续暴露出来，在所需的磨削力下慢慢增多，并延长研磨件的使用寿命。
虽然发现美国专利5，078，753中的可蚀性凝聚体在研磨件生产中非常有用，但它们不能提供在湿磨条件下的磨损的可控机制，并且它们的生产包括破碎和筛选步骤，以获得所需的凝聚体尺寸分布，这些步骤是高能耗的及劳动密集型的。因此希望避免这些步骤并提供既能在机械力作用下又能在湿磨条件下磨蚀的凝聚体。
另外一些令人感兴趣的描述把冰晶石、无机硫酸盐等用作研磨件中的填料的参考文献包括美国专利2，016，892;2，308，982;4，253，850;4，311，489;4，381，188;4，475，926;4，609，381;4，761，163;4，903，440和4，907，376，以及欧洲专利公开0061035A2(
公开日1982，9，29)。然而，这些参考文献中没有一份提到或建议可蚀性填料凝聚体的生产或使用。
本发明提供了含有可磨蚀填料凝聚体的可涂敷混合物，以及含有这种固化形态的可涂敷混合物的研磨件。与只含有非凝聚填料的研磨件相比，该研磨件显示出改善了的研磨性能。在湿磨操作过程中，本发明的可磨蚀填料凝聚体的水溶性部分逐渐溶解，为可磨蚀填料凝聚体的磨损提供了一种机制。这使表面上的研磨层孔隙率增加，并为研磨层的磨蚀提供了一种机制，由此使新的磨粒暴露出来。
本发明的可涂敷混合物包括可蚀性填料凝聚体和粘合剂母体，可蚀性填料凝聚体的特征在于它是通过凝聚剂凝聚起来的水不溶性填料的单个粒子的复合体。就本发明的可涂敷混合物来说，“凝聚剂”是基本由水溶性填料和粘合剂母体组成的组合物。就研磨件来说，“凝聚剂”是基本由水溶性填料和粘合剂组成的组合物，“粘合剂”指的是固化的树脂。因此，可蚀性填料凝聚体可以含有对凝聚体的磨蚀性不起反作用的添加剂。
这里所谓的“可磨蚀的”是指本发明的可磨蚀填料凝聚体以受控方式，例如通过在机械磨削力下断裂和/或通过在湿磨条件下溶解其水溶性成分而破坏其结构的能力。当然，“水溶性”和“水不溶性”是相对的术语，通常溶质在水中的溶解度是随温度的升高而增加的。这些术语旨在描述两种填料成分在水中的溶解度，它们在0-50℃水中的溶解度值列在下面的表A中。因此，“水溶性填料”是指在冷水中溶解度至少为每100立方厘米水溶解10克(克/100毫升)，更优选的是至少50克/100毫升水的无机物。“水不溶性填料”是指在冷水中的溶解度最大为1克/100毫升水的无机物。
当把“水”用于本文的“水溶解度”和把水用作溶液与可涂敷混合物中的一个成分时，意思是“基本由水组成”。“湿”的意思是当用喷水或水流进行时的磨削条件。
“基本由水溶性填料和粘合剂母体组成的凝聚剂”，在这里意思是水溶性填料的优选含量不超过水溶性填料与水不溶性填料总重量的10%，更优选的是不超过5%，但至少占凝聚剂总重量的10%，更优选的是至少占50%。凝聚剂可以含有粘合剂母体和其他成分，例如非凝聚填料，它们对本发明可蚀性填料凝聚体的可蚀性不起反作用。从理论上讲，本发明可涂敷混合物中存在水不溶性填料，容许可蚀性填料凝聚所需的粘合剂母体的量在本发明凝聚体中比前面提到的受让人的其他有关申请的凝聚体中要少得多。
本发明优选的可蚀性填料凝聚体的水不溶性填料是选自下列一组基本由无机卤化盐及其混合物组成的物质，用通式Ⅰ来表示
在冷水中的溶解度最大为10克/100毫升，其中A＝碱金属离子、铵离子或其混合物;
Ⅲa＝Al3+、Ga3+、或其混合物;
X＝卤化物离子或其混合物;
y＝1-10的整数;
z＝y+3。
通式Ⅰ中特别优选的水不溶性填料包括那些A为碱金属离子，最好为Na+离子的无机卤化盐。在本发明的范围内，考虑包括例如以Li3Na3(AlF6)2作为水不溶性填料的化合物。
本发明优选的可蚀性填料凝聚体包括选自基本由无机化合物及其混合物组成的水溶性填料，用通式Ⅱ来表示
在冷水中的溶解度至少为10克/100毫升，其中B＝Al、NH4、Ni、Zn、Fe、Cu、Mg、碱金属、或其混合物;
C＝HSO4、SO4、NO3、PO4、HPO4、BF4、H2PO4或其混合物;
n＝1-5的整数;
m＝5-n;
h＝0-20的整数。
通式Ⅱ中优选的水溶性填料的实例包括那些C为SO4的物质，最佳水溶性填料为Al2(SO4)3·14-18H2O。
本发明特别优选的可蚀性填料凝聚体为下列物质，其中的凝聚剂基本由水溶性填料Al2(SO4)3·14-18H2O组成和水不溶性填料基本由Na3AlF6(冰晶石)组成。
本发明的可蚀性填料凝聚体是在本发明的可涂敷混合物中就地形成的(即“一步法”)。就地形成的可蚀性填料凝聚体是理想的，适于用作研磨件中的活性填料。另一种方法是可以将可蚀性填料凝聚体从第一种可涂敷混合物中分离出来，再用到第二种可涂敷混合物中，第二种可涂敷混合物可以和第一种可涂敷混合物相同或不同(即“两步法”)。
对本发明的研磨件适宜的粘合剂包含固化的有机树脂;该有机树脂选自下列一组物质，由酚醛树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸基树脂、丙烯酸酯类的异氰酸酯树脂、脲醛树脂、异氰酸酯树脂、丙烯酸酯类的聚氨酯树脂、丙烯酸酯类的环氧树脂及其混合物组成。
就涂敷的研磨件来说，一种优选的涂敷的研磨件含有胶料涂料，胶料涂层又包含上述可蚀性填料凝聚体和配制涂层。优选的配制涂层包含有机树脂和二氧化钛。加入二氧化钛，特别是加入到酚醛树脂中，改善了固化粘合剂的性能，既提高了湿硬度，又提高了干硬度。二氧化钛还提高了未固化的配制涂层的表面张力，使磨粒倾向于按照尖点远离底材的方向取向。出乎意料的是，把胶料涂料中的可蚀性填料凝聚体与配制涂料中的二氧化钛相结合，对提高涂敷的研磨件的研磨性能表现出协同效应。
本发明的另一种优选的涂敷研磨件包含上述可蚀性填料凝聚体的复合体和磨粒的复合体，可蚀性填料凝聚体和磨粒都完全分散和粘结在与底材或基材相连的粘合剂中。本实施方案的研磨件是在粘合剂母体中采用可蚀性填料凝聚体和磨粒的浆料来制备的，该浆料是可以涂敷或能够进行初涂的。浆料被涂敷或铺展在底材表面上，然后将被涂底材置于能使粘合剂母体固化的条件之下。在粘结研磨件中混合物放在模子中並置于使粘合剂母体固化的条件下。这里热能和/或辐射能是固化粘合剂母体适用的条件。
上述含有可蚀性填料凝聚体和磨粒的可涂敷混合物的制备方法是本发明的另一个方面。该方法包括下列步骤(a)将水溶性填料和足量的水混合，温度为足以使至少一部分水溶性填料溶解，以形成含有水溶性填料的溶液;
(b)分别把水不溶性填料、粘合剂母体和水按比例混合，温度为足以形成含有水不溶性填料的分散液;
(c)将步骤(a)的溶液与步骤(b)的分散液相混合，以形成可涂敷混合物，从中可蚀性填料凝聚体将在可涂敷混合物中原位形成;
(d)形成可蚀性填料凝聚体，其中含有水不溶性填料的单个粒子的复合体，它们是通过前面所述的凝聚剂在可涂敷混合物中原位凝聚的。
上面刚描述过的方法是生产本发明的可涂敷混合物的优选“一步”法。在完成了步骤(d)之后，可以任意地采用“两步”法，将可涂敷混合物用有机溶剂稀释，以使混合物成为可过滤的(步骤e)，被稀释的混合物通过过滤装置，如滤纸、金属滤网等，以使可蚀性填料凝聚体与液体部分分离(步骤f)，并将该可蚀性填料凝聚体加入到与步骤(c)或(d)或两步都有的可涂敷混合物相同或不同的第二种可涂敷混合物中。因此，具有上面所述组成的可蚀性填料凝聚体本身也是本发明的一个方面。
另外还提供了制备涂敷的研磨件的多种方法，其中一种方法包括下列步骤在底材的一面涂上配制涂料，将磨粒的复合体涂到配制涂料上，把涂上配制涂料的底材置于使配制涂料部分固化的条件之下，用前面刚描述的方法制备的一种可涂敷混合物，涂敷所得的结构以形成胶料涂料，再把配制涂料和胶料涂料置于使其固化的条件之下。另一种方法包括把磨粒与上述步骤(c)中制备的可涂敷混合物相混合，以形成可涂敷的研磨浆料，把它涂在底材的一面，再把涂敷的底材置于使粘合剂母体固化的条件之下。
图1是现有技术下的冰晶石颗粒的扫描电镜照片(SEM，放大200倍);
图2是根据本发明的方法制备的一种可蚀性填料凝聚体的扫描电镜照片(放大200倍);
图3是根据本发明的方法制备的可蚀性填料凝聚体的复合体的扫描电镜照片(放大50倍)。
在制备某种可涂敷混合物的过程中，曾观察到某种水溶性填料的存在导致某种水不溶性填料粒子在原位凝聚。虽然不希望受到任何理论的束缚，但可能是在存在水不溶性填料的情况下，水溶性填料经历了同离子效应，其中不溶于水或微溶于水的盐的存在降低了与之具有相同离子的正常情况下非常易溶于水或全溶于水的水溶性填料的溶解度。意想不到的是曾观察到当把碳酸钙或四氟硼酸钾作为水不溶性填料来制备本发明的可涂敷混合物时，硫酸铝的存在既没有引起碳酸钙也没有引起四氟硼酸钾颗粒凝聚。
本发明优选的可涂敷混合物将含有30-60%重量(以干重计)的粘合剂，优选的是30-60%重量的冰晶石，及少于10%重量，优选的是5%重量，最佳的是2%重量的硫酸铝〔Al2(SO4)3·14-18H2O〕。当Al2(SO4)3·14-18H2O水溶性填料的含量小于或等于0.5%重量时，它对本发明的可涂敷混合物制备的涂敷的研磨件的研磨性能具有积极作用。在无机化学中水溶性填料Al2(SO4)3·14-18H2O通常被称作“硫酸铝16”，其中“16”是指Al2(SO4)3·14-18H2O平均水合度。本发明中使用的水溶性填料如Al2(SO4)3·14-18H2O，和水不溶性填料如冰晶石，可以从各种无机化学厂家获得。
特别优选的适用于本发明的可涂敷混合物的无机卤化盐包括冰晶石(Na3AlF6)和“冰晶石衍生物”如Li3Na3(AlF6)2，(NH4)2GaF6等等。本发明还设想用这些物质的混合物来作为水不溶性填料。特别优选的是无机卤化盐冰晶石。
除了上面提到的成分外，可涂敷混合物还包含足够溶解水溶性填料的水，以及任选的有机溶剂来降低可涂敷混合物的粘度以利于加工。在粘合剂母体的固化过程中，典型的和优先的方法是将水和任选的有机溶剂除去。另一种方法是采用能与粘合剂母体发生反应并保留在固化的粘合剂中的反应性稀释剂。由于硫酸铝和其他水溶性填料可能不溶于醇溶剂，例如乙二醇单丁基醚，乙二醇单甲基醚，乙二醇单乙基醚等，所以上述和其他趋于增加本发明可涂敷混合物粘度的溶剂的使用应尽可能少。优选的可涂敷混合物含有占其总重量至少0.5%重量的一种上述溶剂以降低粘度，然而，如果上述溶剂之一的用量超过了可涂敷混合物总重量的50%，则使用的水溶性填料就可能从可涂敷混合物中沉淀出来，这会阻止可蚀性填料凝聚体的形成。
在制备含有可蚀性填料凝聚体的可涂敷混合物过程中，优选的方法是水溶性填料在第一个容器中至少部分溶解在水中以形成溶液。更优选的方法是水溶性填料完全溶解在水中以形成它的不饱和或饱和溶液。虽然水溶性填料的过饱和溶液并不超出本发明的范围，但由于它们并没有额外的优点，因而不是优选的溶液。在第二个容器中，粘合剂母体、水、水不溶性填料颗粒、以及任选的添加剂和任选的有机溶剂被混合在一起以形成水不溶性填料颗粒的分散液。然后，把水溶性填料的溶液与第二个容器中的分散液相混合。另外也可以将水溶性填料直接加入到粘合剂母体中。然而，如果水溶性填料先至少部分溶解于水中，则发现更易于连续制备均匀的可涂敷混合物。可以对溶液和分散液两者或其中之一稍稍加热，以加速水溶性填料的溶解或水不溶性填料的分散，或略微降低所得可涂敷混合物的粘度，但发现加热並不是必需的，甚至是不希望的。
本发明一种特别优选的可涂敷混合物包含82%重量的用来形成胶料涂料的固溶体，该胶料涂料包含(以重量为基准)76%(wt)固态酚醛树脂51.80份冰晶石41.75份41.7%含水Al2(SO4)3·14-18H2O溶液 2.04份水3.85份乙二醇单乙基醚0.56份(100.00)将酚醛树脂、水和乙二醇单乙基醚混合并加热到40℃。对形成本发明的可蚀性填料凝聚体并不需要加热，但加热可使溶液易于进一步加工。将冰晶石加入溶液中并搅拌溶液以形成在液态成分中冰晶石的分散液。然后将含水Al2(SO4)3·14-18H2O缓慢加入到冰晶石分散液中，可蚀性填料凝聚体就会在原位形成，并且不用放大就可观察到。
然后可将可涂敷混合物涂到磨粒上用作胶料涂料和配制涂料，或者把磨粒加入到可涂敷混合物中以形成可涂敷的研磨浆料。在制造研磨件的过程中再将该研磨浆料涂敷或铺展在底材上。在优选的涂敷操作中需要将可涂敷混合物加热到40℃-50℃，以略微降低可涂敷混合物的粘度。
如前所述，“水溶性”与“水不溶性”旨在反映填料成分在“冷水”(0-50℃)中的近似溶解度。表A是通式Ⅰ和Ⅱ所描述的某些填料在水中的溶解度的汇编，它们摘自TheHandbookofChemistryandPhysics，58thEd.，CRCPress，Inc.，WestPalmBeach，Florjda，PP.B-85et.seq。术语“稍溶”、“可溶”和非常易溶”是根据表B中的美国药典定义的，即Grant和Hackh的ChemicalDictionary，5thEd.McGraw-Hill(1987)Page541中的表85。
从表A可以看出，必须根据所需物质的相对溶解度来选择水溶性填料和水不溶性填料。例如，不能期望将冰晶石与ZnSO4混合可获得将冰晶石与ZnSO4·7H2O混合同样的成功。然而，为了优化研磨性能，应根据研磨条件、工件等来相应地选择水溶性填料的溶解度。
优选的水不溶性填料选自前述通式Ⅰ所描述的无机卤化盐;最佳的水不溶性填料是冰晶石。
在前述通式Ⅱ中，水不溶性填料中的“B”优先选自下列一组物质碱金属、铝、铵、镍、锌、铁、铜、镁、及其混合物。特别优选的“B”是铝、镍和锌，其中铝是最优选的。最优选的“C”是SO4;不过，在可蚀性填料凝聚体中采用多种水溶性填料的混合物也在本发明的范围之内。h的值也很重要，因为优选的水合度(即h)取决于“B”和“C”。
表A填料溶解度填料冷水*中的溶解度水溶性填料份填料/100份水Al2(SO4)331.30Al2(SO4)3·18H2O 86.90Al(NO3)3·9H2O 63.725CuSO4·5H2O 31.60FeSO4·5H2O 可溶FeSO4·7H2O 15.65Li2SO426.10Li2SO4·H2O 34.925MgSO4260MgSO4·7H2O 7120(NH4)3PO4·3H2O 26.125(NH4)2HPO457.510NH4BF42516(NH4)2SO470.60NH4HSO4100NaBF410826Ni(NO3)2·6H2O 238.50NiSO429.30NiSO4·6H2O 62.520NiSO4·7H2O 75.615.5Na2SO4可溶Na2SO4·7H2O 19.50Na2SO4·10H2O 110Zn(NO3)4·5H2O 非常易溶ZnSO4可溶ZnSO4·7H2O 96.520KH2PO43325Na2HPO4·2H2O 10050
水不溶性填料Na3AlF6(cryolite) 稍溶Li3Na3(AlF6)20.07418(NH4)2GaF6不溶＊所示右上角上标表示温度，℃.
表B美国专利的溶解度分类说明1份溶质所需的溶剂份数非常易溶<1易溶1-10可溶10-30部分可溶30-100稍溶100-1000微溶1,000-10,000几乎不溶或不溶10,000+典型和优选的甲阶酚醛粘合剂母体溶液的PH值为8-10。本发明可涂敷混合物的PH值可在3.0-10的范围内变化，主要取决于粘合剂母体的选择，水溶性填料的种类和数量，以及其他变量。那些涂料技术领域技术熟练的人们会知道，本发明中可涂敷混合物的特别优选的PH值首先取决于所选的粘合剂母体，其次取决于水溶性填料、组分配比、温度等等。通常推荐作为特殊的粘合剂母体溶液在这范围以外的可涂敷混合物的PH值对粘合剂母体的固体和/或粘度会有不利的影响。
优选的水溶性填料含量不超过水溶性填料和水不溶性填料总重量的10%重量，更优选的是不超过5%重量，但至少占凝聚剂总重量的10%重量，更优选的是至少占50%重量。
图1是非凝聚的冰晶石的扫描电镜照片(SEM，放大200倍)，图2是本发明可蚀性填料凝聚体的扫描电镜照片(其放大倍数与图1相同)。图2的可蚀性填料凝聚体是用本发明的一种优选方法形成的，在该方法中将可涂敷混合物中的冰晶石部分用2.6份重量(干重)的硫酸铝代替。
本发明的可蚀性填料凝聚体可在形状，大小，表面轮廓等方面在很宽范围内变化，如扫描电镜照片图2和图3所示(前者放大倍数为200，后者为50)。最大尺寸可在10-1000微米范围内，平均直径不是临界值。典型的有用平均直径在10-100微米范围内。本发明的可蚀性填料凝聚体並不要求是任何特殊形状，是球状、棒状、药片状和其他一般形状均可。当本发明的可蚀性凝聚体用于厚涂层时，可优选球状可蚀性凝聚体，而对于其他形状的涂层则优选药片状的可蚀性填料凝聚体。
当然，本发明的可蚀性填料凝聚体也可以筛选成所需要的尺寸或尺寸分布。因此，本发明的凝聚体的尺寸范围可以通过本发明的可涂敷混合物的加工条件、组分配比等来控制，並在可蚀性填料凝聚体从它们的母体可涂敷混合物中分离出来以后再进一步通过机械手段来控制到某种程度。
对用于本发明研磨件中的磨粒尺寸的考虑在选择可蚀性填料凝聚体的尺寸和尺寸分布时也是很重要的。磨粒的平均直径对本发明可蚀性填料凝聚体的平均直径之比可为2.5∶1-0.5∶1。
本发明的可蚀性填料凝聚体的可蚀性特征，即在一系列给定的化学力和/或机械力作用下破裂或磨蚀的速率，可通过改变水溶性和水不溶性填料的性质、相对用量或两者都改变而变化。例如，含有较大百分数水溶性填料成分的本发明的可蚀性填料凝聚体，比含较小百分数水溶性填料的凝聚体将更快地磨蚀并更快地对工件提供新的水不溶性填料颗粒。
如上所述，有可能将本发明的可蚀性填料凝聚体从形成的可涂敷混合物中分离出来，典型的和优选的方法是通过降低可涂敷混合物的粘度来使其成为可过滤的或可筛选的。有机溶剂如脂肪醇可用于降低粘度，醚类也行。
一旦从“母体”可涂敷混合物中分离出来，本发明的可蚀性填料凝聚体就显示出长期的稳定性。优选方法是将本发明的可蚀性填料凝聚体于室温(25℃)下保存在密闭容器中，以防止湿度和温度的过高过低，明显保证了凝聚体不至于吸收大量水分而使可蚀性凝聚体破碎成为实质上非凝聚的填料或失去水合的水。当然，最好是不使容器和可蚀性填料凝聚体经受过大的机械力，因为它可使本发明的可蚀性填料凝聚体过早地机械破碎。
然后，分离出的可蚀性填料凝聚体可用在形成第二种可涂敷混合物的“二步”法中，并加入预先形成的可蚀性填料凝聚体。当然，也可以将预先形成的可蚀性填料凝聚体加入可涂敷溶液而形成另一种可蚀性填料凝聚体，它与预先形成的可蚀性填料凝聚体可以是相同的，也可以是不同的。
可涂敷混合物可含有除粘合剂母体和可蚀性填料凝聚体以外的其他物质。这些在研磨件中通常作为添加剂的物质包括非凝聚填料、偶联剂、湿润剂、染料、颜料、增塑剂、脱模剂及其混合物。非凝聚填料如磨料含有各种各样的不同材料，可以是无机或有机材料。用于本发明的适宜的磨料包括蜡、有机卤化物、不含铝的卤化盐、金属及其合金。有机卤化物的实例包括氯化石蜡、四氯化萘、五氯化萘和聚氯乙烯。不含铝的卤化盐的实例包括氯化钠、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾和氯化镁。金属的实例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁或钛以及它们的混合物，所有这些金属都处于元素形式。其他各种磨料包括碳酸钙、元素硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。优选的非凝聚填料的实例包括碳酸钙、氧化钙、硅酸钙、二氧化钛、三水合氧化铝、硅石、高岭土、石英和玻璃。在配制涂料中优选的二氧化钛含量为5-20%重量(干重)。
非凝聚填料或磨料的用量将是特种研磨件中的典型用量，在本发明的可涂敷混合物中所形成的可蚀性填料凝聚体的用量越高，非凝聚填料或磨料的用量通常就越低。
本发明的研磨件可以是涂敷的研磨件，非织研磨件或粘结研磨件。
涂敷的研磨件通常包括选自纸张、布织物、薄膜、硫化纤维等柔性底材。在湿磨操作中布是优选的，並最好是用任选的背面涂料和任选的正面涂料处理。在任选的正、反面涂料间可以没有清楚的界线，这在布的底材内部会碰到，布底材尽可能用那些涂料树脂浸透。如果采用任选的正面涂料来涂敷，它可以是配制涂料，其中固定着磨粒。然后还可将含有可蚀性填料凝聚体的胶料涂料涂敷在配制涂料和磨粒上面。
在有些实例中涂敷的研磨件还含有涂敷在胶料涂层上的超胶料涂层(supersize)，本发明的涂敷研磨件在这方面没有不同情况。
在本发明的涂敷研磨件中，至少上述涂料之一包括本发明的可蚀性填料凝聚体。本发明优选的可蚀性填料凝聚体是处于本发明涂敷研磨件的最外层，即胶料或超胶料涂层。
另一种方法不是用配制涂料和胶料涂料，而是将含有磨粒、可蚀性填料凝聚体、粘合剂母体、水和任选的非凝聚添加剂及任选的有机溶剂的浆料涂敷到底材上。这种涂料(在粘合剂母体固化后)用作研磨层。
典型的非织研磨件产品包括疏松的、多孔的、膨松有弹性的纤维状结构，这种结构含有遍布于结构中的磨粒，且磨粒被粘合剂牢固地粘结在其中。本发明的非织研磨件应优选采用类似结构，用上述本发明的可涂敷混合物来代替粘合剂的制作。典型的含有上述可蚀性填料凝聚体的粘结研磨件由通过粘合剂粘结在一起的磨粒成型块组成。该成型块可以是任何数量的普通形状如轮、点、盘、和柱状，但优选的是砂轮形状。本发明的优选粘结研磨件产品含有50-90%重量的分散並固定在粘合剂中的磨粒。粘结研磨件产品的优选制造方法是采用模压法，並通过各种程度的孔隙率来控制破损。在这些实施方案中，“可涂敷”混合物只要求是“可流动”的，以便能将混合物注入模具或倾倒在表面上。
在制造本发明研磨件的最初步骤中，含有粘合剂母体和可蚀性填料凝聚体的可涂敷混合物是以未固化或未聚合的状态涂敷在底材上的。然后，在进一步加工过程中，粘合剂母体固化或聚合成固化的粘合剂。
可以预料，辐射能可固化树脂可用作上述用于本发明涂敷研磨件的任何一种涂料的粘合剂母体中，或作为非织研磨件和粘结研磨件中的粘合剂。辐射能可固化的树脂的例子在美国专利4，715，318;4，903，440和4，927，431中有描述。
研磨件还可以有脱模的和/或耐载荷的涂层如超胶料涂层，也可在反面有所需的压敏胶涂层。适宜的脱模涂层的例子包括由水解的三烷氧基硅烷封端的聚二甲基硅氧烷的缩合反应产物形成的交联硅氧烷。用来连接研磨件与基材的适宜的压敏胶是95.5∶4.5的丙烯酸异辛酯和丙烯酸的共聚物的混合物。
用于本发明研磨件的磨粒可以是单个的磨粒或单个磨粒的凝聚体。适用于本发明的磨粒包括那些具有莫氏硬度大于7，更优选的是9-10的有机和无机颗粒。如果是凝聚的，磨粒本身可以是可蚀性的，如在美国专利4，652，275中所公开的那样。如果采用磨料凝聚体，则优选的最大尺寸应在150微米-3000微米范围内。如果单个磨粒非常细，例如相当于P180(FEPA-Norm)，那么每个凝聚体中将含有10-1000个单个磨粒。如果单个磨粒相当于P36，那么每个凝聚体中将含有2-20个磨粒。如果是凝聚的，磨粒在形状上是典型的不规则的，但它们也可以被制成球状、椭球状、扁球状、丸片状、棒状或其他常用的形状。单个磨粒的混合物可以同凝聚的磨粒共同使用，以这种方式使用的单个磨粒的比例可高达研磨凝聚体重量的70%。
上面提到的并为本发明所优选使用的磨粒的例子包括在美国专利4，314，827;4，518，397;4，574，003;4，770，671;4，774，802和4，881，451中公开的碳化硅(包括在美国专利4，505，720中公开的高熔点碳化硅)、氧化铝、矾土氧化锆(包括在美国专利3，781，172;3，891，408和3，893，826中公开的熔融矾土氧化锆，它们是从NortonCompanyofWorcester，Mass获得的商品，其商标为“Norzon”，)立方氮化硼、石榴石、浮石、砂子、金刚砂、云母、刚玉、石英、钻石、碳化硼、熔融矾土、烧结矾土、以α-矾土为基的陶瓷材料(是从MinnesotaMiningandManufacturingCompany，St.Paul，MN获得的，商标为“Cubitrcn”)以及它们的混合物。优选的磨粒是氧化铝和碳化硅。
本发明的研磨件还可以包括在美国专利5，011，512中公开的非研磨性的或略带研磨性的无机稀释剂粒子，即具有低于200努氏硬度标度的非研磨性无机稀释剂粒子有用的非研磨性稀释剂粒子包括石灰石和石膏。
下列非限定性实施例将对本发明作进一步说明。所有配方中的百分数和份数都是以重量为基准。在每种情况下采用的甲阶酚醛树脂都基于甲醛∶苯酚＝1.7∶1，占固体树脂重量的76%。所用“硫酸铝”是指Al2(SO4)3·14-18H2O。
实施例制造涂敷的研磨件的一般步骤(Ⅰ)对于下述采用本步骤的实施例来说，每块涂敷研磨件的底材都由Y重量的、具有四上一下织纹的聚酯编织布组成。每块底材用胶乳/酚醛树脂充分浸透后，再放入加热箱中使树脂部分固化。下一步，将碳酸钙填充的胶乳/酚醛树脂的预处理涂料涂敷到每块底材的反面。把每块被涂敷的底材加热到120℃，并保持在此温度下直到树脂固化到不剥落状态。最后，将胶乳/酚醛树脂的预处理涂料涂敷到每块被涂敷的底材正面，把每块被涂底材加热到120℃并保持在此温度下直到树脂固化到不剥落状态。用这种方法制造的底材都经过了充分的预处理，并可以涂敷配制涂料。
用作每块被涂底材的配制涂料的可涂敷混合物按下述方法制备将69份含70%固体的酚醛树脂(48份酚醛树脂)、52份非凝聚的碳酸钙填料(干重)和足够多的含90份水/10份乙二醇单乙基醚的溶液相混合以形成配制涂料，在所有情况下都是含84%的固体，最终涂层重230克/平方米。在所有情况下都通过双辊涂布机来涂敷配制涂料。(估计其他涂敷方法如刮涂、幕涂、喷涂等等也曾同样被采用过。而且，在辊涂中辊的个数并不需要是两个。)下一步，把等级为40(在ANSI标准B74.18中平均颗粒尺寸为420微米)的热处理过的氧化铝磨粒静电涂敷到未固化的、重760克/平方米的配制涂层上。
然后把所得被涂基材在65℃下加热15分钟，以部分固化配制涂层，再在88℃下进一步加热75分钟。
接着通过双辊涂敷方法将适于形成胶料涂层的含82%固体的可涂混合物(其组分如以下实施例所述)涂敷到每块研磨件的磨粒/配制涂层上。将所得涂敷研磨件在88℃下受热固化90分钟，再在100℃下受热固化12小时。
在热固化以后，将带涂层的研磨件单向弯曲(即以90°角通过一个辊使配制涂层和胶料涂层受控破裂)。
制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅱ)下述实施例不是采用制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅰ)，而是采用了下列步骤。按照制造带涂层的研磨件(Ⅱ)的一般方法对每块带涂层研磨件的底材的预处理与上述按制造带涂层的研磨件(Ⅰ)的一般方法对底材的预处理完全相同。
适于生产用作每块被涂底材的配制涂料的可涂敷混合物按下述方法制备将69份含70%固体的酚醛树脂(48份酚醛树脂)、13.5份二氧化钛填料、38.5份碳酸钙填料和足够多的含90份水/10份乙二醇单乙基醚的溶液相混合以形成配制涂料，含84%的固体，并通过双辊涂布机涂敷得到重约140克/平方米的固化涂层。
下一步，将等级为40(在ANSI标准B74.18中平均颗粒尺寸为420微米)的热处理过的氧化铝磨粒静电涂敷到未固化的、重760克/平方米的配制涂层上。
然后将所得被涂基材在65℃下预固化15分钟，再在88℃下预固化75分钟。接着通过双辊涂布机将适于形成胶料涂层的含82%固体的可涂敷混合物(其组分如以下实施例所述)涂敷在磨粒/配制涂层上。在所有情况下胶料涂层都重280克/平方米。将所得带涂层的研磨件在88℃下受热固化30分钟，再在100℃下受热固化12小时。在热固化以后，将带涂层的研磨件象制备带涂层的研磨件(Ⅰ)的一般方法所述的那样进行弯曲。
试验步骤Ⅰ(湿磨)将带涂层的研磨材料包在直径为36厘米的金属轮外沿上。研磨段的有效切削面积为2.54厘米×109厘米。被研磨的工件为1018钢，尺寸为1.27厘米宽×36厘米长×7.6厘米高。研磨沿着1.27厘米×36厘米的表面进行。工件被安装在一个往复运动的面板上，金属轮的速度为每分钟1500转或每分钟1674米的表面距离。面板与工件的走速为9米/分钟。轮子每通过一次工件的向下进刀量为45微米。这种研磨过程依照一般的湿表面研磨，其中工件在旋转的接触轮下以每次递增的向下进给量往复运动。研磨是在水流下完成的，当法向力超过12.6公斤/平方厘米时结束试验。每个带涂层的研磨件对工件的切削量以克来测量和记录。
试验步骤Ⅱ(干磨)将带涂层的研磨件改装成7.6厘米×335厘米的环形带并安装在一个固定载荷的表面研磨机上。将预先称重的、304不锈钢工件(约2.5厘米×5厘米×18厘米)安装在一个夹具上，并固定成垂直方向为2.5厘米×18厘米的表面正对着直径约36厘米的85肖氏硬度计的齿形橡胶接触轮，接触轮的台阶开槽比一一对应，并位于被输送带涂层的研磨带的上面。然后工件以每分钟20次的循环速度垂直于18厘米的路径作往复运动，弹簧加压柱塞使工件对研磨带承受11千克的力，而研磨带每分钟被传送2050米。经过1分钟研磨后，移开工件夹持部件，再把工件称重。工件的切削量可通过工件研磨前的重量减去研磨后的重量算出。然后，再将一个新的、事先称重的工件和夹具安装在设备上。5分钟结束试验。本试验的实验误差为±10%。
试验步骤Ⅲ(干磨)除了被研磨工件为4150钢和当每分钟4150钢的切削量小于40克时结束试验外，试验步骤Ⅲ的试验方法基本上与试验步骤Ⅱ相同。
试验步骤Ⅳ(湿磨)除以下变化外，试验步骤Ⅳ的试验方法基本上与试验步骤Ⅰ相同研磨板在工件上的横向运动速度为12米/分，砂轮的向下进刀量为每通过一次工件走40微米，当法向力超过14千克/平方厘米时结束试验。
试验步骤Ⅴ(干磨)除以下变化外，试验步骤Ⅴ的试验方法基本上与试验步骤Ⅰ相同研磨板在工件上的横向运动速度为18米/分钟，砂轮的向下进刀量为每通过一次工件走50微米，干磨即没有水流，当带涂层的研磨件开始剥落即磨粒过早脱落时结束试验。
试验步骤Ⅵ(湿磨)除以下变化外，试验步骤Ⅵ的试验方法基本上与试验步骤Ⅳ相同研磨板在工件上的横向运动速度为18米/分，当法向力超过14千克/平方厘米时结束试验。
试验步骤Ⅶ(湿磨)除以下变化外，试验步骤Ⅶ的试验方法基本上与试验步骤Ⅰ相同研磨板在工件上的横向运动速度为12米/分，砂轮的向下进刀量为每通过一次工件走50微米，当法向力超过11.8千克/平方厘米时结束试验。
对照试验A&B，实施例1这组试验用的带涂层研磨件是按照制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅰ)制备的。在所有情况下胶料涂料都按照下列方法制备除了树脂和填料外，将足够多的含90份水/10份乙二醇单乙基醚的溶液混合在一起，以制备含82%固体的胶料涂料，最终涂层重300克/平方米。用于对照试验A的胶料涂料包括69份含70%固体的酚醛树脂(48份酚醛树脂)和52份碳酸钙填料。用于对照试验B的胶料涂料包括52份冰晶石和69份70%固体的甲阶酚醛树脂(48%酚醛树脂)。用于实施例1的胶料涂料包括49.4份冰晶石(通过加入2.6份硫酸铝而凝聚)和48份甲阶酚醛树脂，每份都是干重。这些带涂层的研磨件用试验步骤Ⅰ和试验步骤Ⅱ进行试验。结果分别见表1和表2。
表1(试验步骤Ⅰ，湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验A700对照试验B69611315表2(试验步骤II,干磨)实施例工件切削量(克)对照试验A111对照试验B1241141对照试验A&C，实施例2-6这组实施例所用的带涂层研磨件是按照制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅰ)制备的。对照试验A的胶料涂料与上述的相同。
对照试验C的胶料涂料包括52份冰晶石和48份甲阶酚醛树脂，每份都是干重，且胶料涂层重330克/平方米。
实施例2的胶料涂料包括49.4份冰晶石(通过加入2.6份硫酸铝而凝聚)和48份甲阶酚醛树脂，全部是干重，且胶料涂层重306克/平方米。
实施例3的胶料涂料由49.9份冰晶石用2.1份硫酸铝凝聚和48份甲阶酚醛树脂组成，全部是干重，且胶料涂层重306克/平方米。
实施例4的胶料涂料由50.4份冰晶石，通过加入1.6份硫酸铝而凝聚，和48份甲阶酚醛树脂(干重)组成，且胶料涂层重293克/平方米。
实施例5的胶料涂料由51份冰晶石，用1.0份硫酸铝凝聚，和48份甲阶酚醛树脂组成，且胶料涂层重311克/平方米。
实施例6的胶料涂料由51.5份冰晶石用0.5份硫酸铝凝聚，和48份甲阶酚醛树脂组成，且胶料涂层重297克/平方米。
在实施例2-6中，硫酸铝是以固体直接加到酚醛树脂中的。在每种胶料涂料中，都加入足够多的含90/10的水/乙二醇单乙基醚的溶液以形成含82%固体的溶液。这些带涂层的研磨件用试验步骤Ⅰ和试验步骤Ⅱ进行试验。结果分别见表3和表4。
此外，根据对照试验C和实施例2的方法制备的带涂层研磨件用试验步骤Ⅲ进行试验，结果见表5。
表3(试验步骤Ⅰ，湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验A751对照试验B816211033112541031510756784表4(试验步骤II,干磨)实施例工件切削量(克)对照试验A11921423134412951286124表5(试验步骤III,干磨)实施例工件切削量(克)对照试验C175421864
对照试验D&E;实施例7-9这组实施例所用的带涂层研磨件按照试验步骤Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ进行试验。研磨结果分别见表6、7、8和9。
对照试验D的带涂层研磨件是等级为40的树脂粘结布2B型带涂层研磨件，商标是“Three-M-ite”，可以从MinnesotaMiningandManufacturingCompany，St.Paul，MN买到。这种特殊的带涂层研磨件在胶料涂层中含有碳酸钙，而胶料涂层中不含冰晶石。
对照试验E和实施例7-9的带涂层研磨件是按照制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅰ)制备的，唯一例外的是配制涂层重140克/平方米。
对照试验E和实施例7-9的胶料涂层重275克/平方米。
对照试验E的胶料涂料由52份冰晶石和48份甲阶酚醛树脂(干重)组成。
实施例7的胶料涂料由51.5份冰晶石、0.5份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂(干重)组成。
实施例8的胶料涂料由51.0份冰晶石、1.0份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂(干重)组成。
实施例9的胶料涂料由50.4份冰晶石、1.6份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂(干重)组成。
在实施例7-9中，硫酸铝是以41.7%的水溶液加入到冰晶石/酚醛树脂/溶剂悬浮液中的，并加入足够多的含90/10的水/乙二醇单乙基醚的溶液以形成含82%固体的胶料涂料溶液。
带涂层的研磨件D、E和7-9按照试验步骤Ⅳ-Ⅶ进行试验，结果分别列于表6-9中。
表6(试验步骤Ⅳ，湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D701对照试验E666711988127291194表7(试验步骤V,干磨)实施例工件切削量(克)对照试验D848对照试验E873715218139591511表8(试验步骤VI,湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D404对照试验E435769386539559
表9(试验步骤VII,湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D668对照试验E674710588104591036对照试验D&F;实施例10-12对照试验F和实施例10-12的带涂层研磨件是按照制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅱ)制备的。对照试验E的胶料涂料包括52份冰晶石和48份甲阶酚醛树脂;实施例10的胶料涂料包括51.5份冰晶石、0.5份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂;实施例11的胶料涂料包括51.0份冰晶石、1.0份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂;实施例12的胶料涂料由50.4份冰晶石、1.6份硫酸铝和48份甲阶酚醛树脂组成。上述所有情况都是干重。在实施例10-12中，硫酸铝是以41.7%水溶液的形式加入到冰晶石/酚醛树脂/溶剂悬浮液中的，并在所有情况下加入足够多的含90/10的水/乙二醇单乙基醚溶液以形成含82%固体的胶料涂料溶液。
这组实施例的带涂层研磨件按照试验步骤Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ进行试验。研磨结果分别见表10、11、12和13。
表10(试验步骤Ⅳ，湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D701对照试验E742101663111590121355表11(试验步骤V,干磨)实施例工件切削量(克)对照试验D848对照试验F969101548111697121251表12(试验步骤VI,湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D404对照试验F457107131177412665
表13(试验步骤VII,湿磨)实施例工件切削量(克)对照试验D668对照试验F627101135111165121042对照试验B和D及实施例13-37这组实施例对比了在胶料涂层中含有各种硫酸盐作为水溶性填料的带涂层研磨件的性能。带涂层的研磨件是按照制造带涂层的研磨件的一般步骤(Ⅰ)制备的，在所有情况下唯一例外的是配制涂层重170克/平方米。在所有情况下胶料涂料都包含48份甲阶酚醛树脂和52份硫酸盐/冰晶石(干重)。硫酸盐和冰晶石的重量百分数以及胶料涂层的重量均可见表14。
实施例13-18的硫酸盐为硫酸钠(Na2SO4)。
实施例19-22的硫酸盐为硫酸铝〔Al2(SO4)3·14-18H2O〕。
实施例23的硫酸盐为硫酸铵〔(NH4)2SO4〕。
实施例24的硫酸盐为硫酸氢铵(NH4HSO4)。
实施例25和26的硫酸盐为硫酸镍(NiSO4·6H2O)。
实施例27和28的硫酸盐为硫酸锌(ZnSO4·7H2O)。
实施例29和30的硫酸盐为硫酸铁(FeSO4·7H2O)。
实施例31和32的硫酸盐为硫酸铜(CuSO4·5H2O)。
实施例33和34的硫酸盐为硫酸镁(MgSO4)。
实施例35到37的硫酸盐为硫酸锂(Li2SO4·H2O)。
在实施例B、D、13-29和23-37的所有情况中，溶剂是90/10的水/乙二醇单乙基醚溶液;在实施例21和22中，采用90/10的水/丙二醇单乙基醚的溶液以形成含82%固体的胶料涂料溶液。带涂层的研磨件按照试验步骤Ⅵ(湿磨)进行试验，结果见表14。
表14%硫酸盐/胶料涂层重工件切削量实施例 %冰晶石 (gms/m2) (gms)对照试验B0/52420471对照试验D 0/52 220*495130.5/51.5402457141.0/51.0430534151.6/50.4390672162.1/49.9410506172.6/49.4400567183.2/48.8385623190.5/51.5410495201.0/51.0410517210.5/51.5400656221.0/51.0400551230.5/51.5395578240.5/51.5400559250.5/51.5385634261.0/51.0390541270.5/51.5380708281.0/51.0380581290.5/51.5370680301.0/51.0365649310.5/51.5390605321.0/51.0370696330.5/51.5360618341.0/51.0365641350.5/51.5385544361.0/51.0390584371.6/50.4390559＊表示涂层干重
权利要求
1.含有可磨蚀填料凝聚体和粘合剂母体的可涂敷混合物，它适用于制造研磨件，可磨蚀填料凝聚体的特征在于它是通过加入凝聚剂而凝聚的水不溶性填料单个粒子的复合体，该凝聚剂基本由水溶性填料和粘合剂母体组成，所述水溶性填料不超过水溶性填料和水不溶性填料总重量的10%。
2.根据权利要求1的可涂敷混合物，其特征还在于所述水不溶性填料选自下列基本由无机卤化盐及其混合物组成的物质，用通式表示为在冷水中的溶解度最大为10克/100毫升，其中A＝碱金属离子、铵离子、或其混合物;Ⅲa＝Al3+、Ga3+、或其混合物;X＝卤化物离子或其混合物;y＝1-10的整数;z＝y+3。
3.根据权利要求1的可涂敷混合物，其特征还在于上述水溶性填料选自下列基本由无机化合物及其混合物组成的物质，用通式表示为在冷水中的溶解度至少为10克/100毫升，其中B＝Al、NH4、Ni、Zn、Fe、Cu、Mg、碱金属、或其混合物;C＝HSO4、SO4、NO3、PO4、HPO4、H2PO4、BF4、或其混合物;n＝1-5的整数;m＝5-n;h＝0-20的整数。
4.根据权利要求1的可涂敷混合物，其特征还在于水溶性填料的重量百分数不超过上述水溶性填料和水不溶性填料总重量的2.5%。
5.涂敷的研磨件，其特征在于包含权利要求1的可涂敷混合物的固化形态。
6.粘结研磨件，其特征在于包含权利要求1的可涂敷混合物的固化形态。
7.非织研磨件，其特征在于包含权利要求1的可涂敷混合物的固化形态。
8.可蚀性填料凝聚体，其特征在于它是通过加入凝聚剂而凝聚的水不溶性填料的单个粒子的复合体，该凝聚剂基本由水溶性填料和粘合剂组成，其中水溶性填料不超过水溶性填料和水不溶性填料总重量的10%。
9.根据权利要求8的凝聚体，其特征还在于上述水不溶性填料选自下列基本由无机卤化盐及其混合物组成的物质，用通式表示为在冷水中的溶解度最大为10克/100毫升，其中A＝碱金属离子、铵离子、或其混合物;X＝卤化物离子或其混合物;y＝1-10的整数;z＝y+3。
10.根据权利要求8的凝聚体，其特征还在于上述水溶性填料选自下列基本由无机化合物及其混合物组成的物质，用通式表示为在冷水中的溶解度至少为10克/100毫升，其中B＝Al、NH4、Ni、Zn、Fe、Cu、Mg、碱金属、或其混合物;C＝HSO4、SO4、NO3、PO4、HPO4、H2PO4、BF4、或其混合物;n＝1-5的整数;m＝5-n;h＝0-20的整数。
全文摘要
本发明提供了含有可蚀性填料凝聚体的可涂敷混合物，以及含这种可涂敷混合物的研磨件，其中凝聚体包含水不溶性填料的单个粒子的复合体，它是通过加入凝聚剂而凝聚的，该凝聚剂包含水溶性填料和粘合剂。优选的水溶性填料是Al
文档编号C09K3/14GK1075736SQ93101770
公开日1993年9月1日 申请日期1993年2月19日 优先权日1992年2月20日
发明者H·J·赫尔米尼, W·L·哈默 申请人:明尼苏达州采矿制造公司